10596

Математическое моделирование системы индукционного нагрева

Доклад

Математика и математический анализ

Математическое моделирование системы индукционного нагрева. Система индукционного нагрева представляет собой в общем случае источник питания индуктор нагреваемое тело и окружающую среду. Источник питания будь то генератор повышенной частоты тиристорный п...

Русский

2013-03-29

32.53 KB

35 чел.

Математическое моделирование системы индукционного нагрева.

  Система индукционного нагрева представляет собой, в общем случае, источник питания, индуктор, нагреваемое тело и окружающую среду.

  Источник питания будь то генератор повышенной частоты, тиристорный  преобразователь частоты, ламповый генератор или просто понижающий трансформатор, в ряде является довольно сложным. Рассматривать его мы не будем, т.к. отдельные стороны его функционирования излагались в курсе « Источники питания ЭТУС», и кроме того, существует теория электропривода, вполне позволяющая выяснить характер поведения источника питания  как объекта управления.

  Таким образом, будем рассматривать систему индуктор - нагреваемое тело – окружающая среда. Эта система описывается системами уравнений для электромагнитного и теплового полей.

 Прежде чем записать уравнение из этих систем сделаем ряд общепринятых для таких задач допущений (без них задача становится гораздо сложнее при незначительном выигрыше в точности).

  1. Электромагнитное поле принимается квазистационарным. Под этим понимается отсутствие запаздывания электромагнитной волны в воздухе (но не в металле). В иной формулировке длины ЭМ – волны в воздухе много больше геометрического размера системы (например длины индуктора). Это допущение позволяет пренебречь токами смещения по сравнению с токами в проводниках.  
  2. Расчет установившихся ЭМ - процессов можно проводить для величин, меняющихся по гармоническому закону. При этом ошибка в определении интегральных и распределенных энергетических параметров невелика. Это позволяет широко использовать символический метод для расчета ЭМ – полей в нелинейных ферромагнитных средах.
  3. Потери на гистерезис при нагреве ферромагнитных тел много меньше, чем на вихревые токи. Поэтому можно считать зависимость μ(Н) однозначной, а саму проницаемость – действительной величиной.
  4. Потери на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе не оказывают заметного влияния на ЭМ – поле вне его и их возможно учитывать отдельно при расчете теплового режима в магнитопроводе.

  Теперь запишем систему уравнений, описывающую электромагнитный процесс в поглощающих средах

rot H=J=γE;                                                                                (1)

  rot E= -= -;                                                              (2)

  div B=0;                                                                                       (3)

  div D=div()=.                                                              (4)

  Здесь Н, В, Е и D – векторы напряженности и индукции магнитного и электрического полей; J – вектор плотности тока.

  Уравнение (1) представляет собой обобщенный закон полного тока в дифференциальной форме. Уравнение (2) есть закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме. Оба эти уравнения выражают тот факт, что переменные электрические и магнитные поля существуют совместно и являются разными сторонами единого электромагнитного процесса. Уравнение (3) является выражением принципа непрерывности магнитного потока, означающего отсутствие источников магнитного поля, а уравнение (4) представляет собой дифференциальную форму теоремы Гауса, утверждающей, что источником электрического поля являются электрические заряды.

  Температурное поле описывается дифференциальным уравнением в частных производных, вид которого зависит от формы нагреваемого тела. Для тела прямоугольной формы уравнение примет вид

.                                       (5)

   Условия теплообмена, начальные условия записываются в виде уравнений, соответствующих граничным условиям 1, 2 и 3-го рода. Например, если принять участвующей в теплообмене только одну грань с координатами х=Х; у,z=var, то уравнения будут иметь вид

  ГУ1:      T(x,y,z)=;                                                                     (6)

  ГУ2:     q;                                                                   (7)

  ГУ3:     .                                         (8)

  Более сложный вид ГУ, например, теплообмен излучением целесообразно привести к виду (7) или (8). Это упростит аналитическое решение.

ГУ4:     

  Совместное решение уравнений (1)-(4) и (5)-(8) является очень сложной задачей. Но, к счастью, этого и не требуется для задач в области ЭТУ. Чаще всего решение электромагнитной и тепловой задач производится отдельно, что вполне допустимо ввиду большой инерционности тепловых процессов по сравнению с электромагнитными.  Кроме того, зависимости свойств материала от температуры в большинстве своем ( кроме μ=f(τ) ) является близкими к линейным, что позволяет вводить в процессе решения усредненные параметры.

  На основании вышесказанного решение электромагнитной и тепловой задач будем рассматривать раздельно.

  Кроме рассмотренных двух задач в процессе нагрева возникает еще и задача термонапряжений, которые в отдельных случаях могут привести к разрушению нагреваемого тела. Эту задачу мы рассмотрим в численных методах.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37919. ИЗУЧЕНИЕ ВИХРЕВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ 310.5 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 57 ИЗУЧЕНИЕ ВИХРЕВОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Цель работы Изучение явления электромагнитной индукции и свойств вихревого электрического поля. Уравнение Максвелла для электрического поля В 1931 году М.1 Анализируя явление электромагнитной индукции Максвелл установил что причиной появления ЭДС индукции является возникновение в контуре электрического поля.
37920. ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ТОКА 338.5 KB
  Шатохин Изучение магнитного поля прямолинейного тока. Детально рассмотрены характеристики магнитного поля прямолинейного тока. Изложена методика экспериментального определения магнитного поля токонесущих проводников.
37921. ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА 723.5 KB
  Сагитова Изучение интерференции света: Методические указания к лабораторной работе № 61 по курсу общей физики Уфимск. Методические указания знакомят студентов с явлением интерференции света методами получения когерентных волн.4 Порядок выполнения работы [8] 4 Контрольные вопросы [9] Список литературы Лабораторная работа № 61 ИЗУЧЕНИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ СВЕТА 1 Цель работы Изучение явления интерференции света.
37922. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЖИДКИХ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ 235.5 KB
  Сагитова Определение показателей преломления жидких и твердых тел: Методические указания к лабораторной работе №62 по разделу Оптика Уфимск. Приведены краткая теория и методы измерения показателя преломления жидких и твердых тел.1 Определение показателя преломления стекла с помощью микроскопа [2.
37923. ИЗУЧЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ 1.57 MB
  Изучение оптических характеристик дифракционной решетки. Студенты экспериментально определяют угловую дисперсию и разрешающую способность в различных порядках спектра фазовой дифракционной решетки.4 Оптические характеристики дифракционной решетки 10 3 Экспериментальная часть 13 3.
37924. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2.24 MB
  Краузе Экспериментальное изучение законов теплового излучения: Методические указания к лабораторной работе № 64 по курсу общей физики Уфимск. Методические указания знакомят студентов с явлением теплового излучения. Описаны физические причины излучения электромагнитных волн нагретыми телами и приведены законы которым это излучение подчиняется.
37925. Изучение законов постоянного тока Исследование зависимости КПД источника тока от сопротивления нагрузки 383 KB
  Лабораторная работа № 33 Изучение законов постоянного тока Исследование зависимости КПД источника тока от сопротивления нагрузки 1. Определить КПД источника тока. Получить экспериментальную зависимость мощности источника тока от сопротивления нагрузки.
37926. Изучение явления термоэлектронной эмиссии и определение удельного заряда электрона 206.5 KB
  Благодаря пространственному заряду при малых анодных напряжениях анодный ток может быть значительно меньше возможного тока эмиссии катода и постепенно увеличивается при повышении анодного напряжения. Если поддерживать температуру накаленного катода постоянной и снять зависимость анодного тока Iа от анодного напряжения uа вольт амперную характеристику рис.2 Вольт амперные характеристики диода при различных температурах T2  T1 Зависимость термоэлектронного тока Iа от анодного напряжения в области малых положительных значений uа...
37927. ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ МЕТАЛЛОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОТЫ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНА 98 KB
  Сила термоэлектронного тока в диоде зависит от величины напряжения U рис. Отклонение зависимости анодного тока IА от анодного напряжения U от прямолинейной связано: а с наличием в промежутке между катодом и анодом неоднородной области пространственного заряда; б с отсутствием центров рассеяния в упомянутом промежутке. Зависимость тока диода IА от анодного напряжения U имеет вид: I=C U3 2 2.3 Is величина тока насыщения три кривые относятся к трем разным...